毕业设计（论文）-国旗自动升降控制系统的设计.doc

河北北方学院毕业论文河北北方学院 毕业论文题 目： 通用国旗自动升降机 作 者： 院 系： 河北北方学院信息工程系 专 业： 信息工程 年 级： 2007级 学 号： 指导教师： 提交时间： 2011年5月 河北北方学院教务处制二零一一年五月国旗自动升降装置目录摘 要-2Abstract-3引 言-4第一章 技术指标-51.1整体方案-51.2功能概述-5第二章 硬件单元设计方案及原理-52.1整体方案的选择-52.2主控制芯片的选择-5 2.2.1单片机控制器的选择及功能介绍-6 2.2.2编译器以及开发环境的选择-102.3 MP3模块的选择-11 2.3.1 VS1003的功能特性-11 2.3.2 VS1003接口电路的设计-132.4步进电机驱动芯片的选择-15 2.4.1 L298的功能特性-15 2.4.2 L298接口电路的设计-162.5 时钟芯片的选择-17 2.5.1 DS1302的功能特性-17 2.5.2 DS1302接口电路设计-182.6光电传感器的选择-19 2.6.1 GK102的功能特性-19 2.6.2 GK102的电路设计-19第三章 PCB制板结构设计-193.1 PCB设计平台-193.2 元件布局及PCB整体结构工艺-203.3 布线工艺及准则-20第四章 件设计与实现-214.1总体设计思路及编程流程-21 4.1.1 总体设计思路-22 4.1.2 编程流程-174.2 VS1003程序设计-224.3 L298N驱动与应用程序开发-254.4 DS1302时间管理芯片驱动与应用程序开发-26小 结-29致 谢-30参考文献-31附录-32摘 要 本文提出一种国旗自动升降控制系统的设计方法。使用C语言编写代码命令对STC89C52RC芯片进行实时控制，利用光电传感器自动鉴别国旗，将鉴别信号返回给主控IC,主控IC经过分析选择将要播放的国歌，通过对MP3发送命令实现相对应国歌播放。主控芯片根据传感器返回的十六进制数选择步进电机所对应的档位，实现国歌与步进电机同步。另外还可以实现降旗、降半旗、指定节假日国旗的升降等功能。设计中所用到的一些软件主要包括: KEIL C语言和Visual Studio 2008 C语言进行编译程序，利用Protel DXP设计电路原理图和生成PCB。另外本设计中还涉及到了SD卡的读取，DS1302时钟芯片、12864液晶等。关键词: 自动鉴别 智能控制 国旗升降 Abstract This paper presents an automatic lifting the flag control system design. Write code using the C language commands STC89C52RC chip real-time control, automatic identification of the photoelectric sensor flag, the identification signal back to the main control IC, IC after the master of the option to play the national anthem, sending commands through the MP3 player to achieve the corresponding national anthem. Master returns the sensor chip hexadecimal number corresponding to selected gear step motor, stepper motor synchronization to achieve the national anthem. It also enables lowering of the flag, lowered to half, lifting the flag of the specified holidays and other functions. Some of the design used in the software include: KEIL C language and Visual Studio 2008 C language compilers, the use of Protel DXP schematic design and build PCB. In addition this design also relates to the SD card reader, DS1302 clock chips, liquid crystal 12864. Keywords: automatic identification intelligent control flag down引 言随着科学技术的日新月异，自动化已成为当代科技发展的潮流，遍及人类生活、生产等各领域。然而传统的国旗升降存在国歌的播放与国旗上升步调不一致，易受环境因素影响等弊端。为了消除国旗升降中的众多问题提高升旗质量和效率，如何实现国旗升降完全自动化已日益迫切。因此本研究将致力于用单片机控制国旗自动识别、自动升降，同时自动播放与之相关国歌的研究。其中实现国旗的自动鉴别，步进电机按指定步运转并与国歌播放同步是这个控制系统的重要部分。由于单片机芯片成本低，适用普遍且易操作，功能较强，所以整个控制系统我们都采用了STC公司的STC89C52RC芯片。VS1003 是一个单片MP3/WMA/MIDI 音频解码器和ADPCM 编码器。它包含一个高性能，自主产权的低功耗DSP 处理器核VS_DSP4,工作数据存储器。本设计同时也采用了L298N驱动芯片对步进电机进行精确的控制。同时还有GK102光电传感器， 时间管理芯片DS1302,以及RS232串口通信等功能模块，最终实现对整个系统的控制。由于时间和技术水平有限，我们暂时实现了几种基本功能（正常升旗，降旗，降半旗）。第一章 技术指标1.1整体方案 整个控制系统分为五大部分：主控机、MP3模块，步进电机、光电传感器、相关的外围电路。用STC89C52RC作为处理器实现对各部分控制，确保系统正常工作。1.2功能概述整个国旗自动升降系统实现以下多种全自动功能：升国旗、降国旗、降半旗、指定节假日升国旗。用户可以通过矩阵键盘输入命令选择其中的任意一种功能。普通模式下每天都是按照固定的时间升降国旗，节日模式下按指定的时间升降国旗，控制模式下系统会根据用户的命令执行降半旗等指定的操作。第二章 硬件单元方案确定及原理2.1整体方案的选择本设计由总控机接收光电传感器反馈的信号，通过发送命令控制MP3播放器播放相对应的国歌，同时通过调节发送脉冲的频率达到控制步进电机的转速与国歌播放同步，最终达到整个国旗自动升降控制系统协调工作的目的。2.2主控制芯片的选择2.2.1 单片机控制器的选择及功能介绍 选用STC 单片机的理由：降低成本，提升性能，原有程序直接使用,硬件无需改动。可选用PLCC, PQFP 小型封装, 3.3V 工作电压单片机，使您的产品更小，更轻，功耗更低。用STC 提供的STC-ISP.exe 工具将您原有的代码下载进STC 相关的单片机即可,或用通用编程器编程。STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器（FPEROM-Flash Programable and Erasable Read Only Memory ）的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。图21 C51功能及引脚介绍STC89C52主要功能如表一所示。 表一 STC89C52主要功能主要功能特性兼容MCS51指令系统8K可反复擦写Flash ROM32个双向I/O口256x8bit内部RAM3个16位可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHz2个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源共6个中断源2个读写中断口线3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能1 时钟电路STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。内部方式的时钟电路如图22(a) 所示，在RXD和TXD引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率可以在1.212MHz之间选择，电容值在530pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。外部方式的时钟电路如图22所示，RXD接地，TXD接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。（a）内部方式时钟电路 （b）外部方式时钟电路图22时钟电路 2 复位及复位电路（1）复位操作复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。（2）复位信号及其产生RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期(即二个机器周期)以上。若使用颇率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。产生复位信号的电路逻辑如图23所示：图23复位信号的电路逻辑图复位操作有上电自动复位相按键手动复位两种方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图24所示。这佯，只要电源Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。 图24 上电复位电路本系统的复位电路采用图24上电复位方式。STC89C52具体介绍如下： 主电源引脚（2根）VCC(Pin40)：电源输入，接5V电源GND(Pin20)：接地线外接晶振引脚（2根）XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端XTAL2(Pin20)：片内振荡电路的输出端控制引脚（4根）RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号EA/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。可编程输入/输出引脚（32根）STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。PO口（Pin39Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0P0.7P1口（Pin1Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0P1.7 P2口（Pin21Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0P2.7 P3口（Pin10Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0P 编译器以及开发环境的选择通常一个编译器（泛指高级语言编译器、汇编器、连接器等等）、项目管理器和文本编辑器构成一个完整的编程环境。其中项目管理器负责为每一个源程序文件调用编译器生成目标文件后用连接器将它们组合在一起生成可执行文件。例如 Keil uVision 进行编译时将项目中的每一个源程序文件进行编译后生成对应的.obj 文件，之后将这些目标文件连接到一起生成可执行（例如Hex格式）文件。图2-2所示为我们所用的开发环境。 图2-2 Keil开发环境 单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，我们写的汇编语言源程序要变为CPU可以执行的机器码有两种方法，一种是手工汇编，另一种是机器汇编，目前已极少使用手工汇编的方法了。机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码，用于MCS-51 单片机的汇编软件有早期的A51，随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil 软件是目前最流行开发MCS-51 系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil 即可看出。Keil 提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。运行Keil 软件需要Pentium 或以上的CPU，16MB或更多RAM、20M 以上空闲的硬盘空间、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。掌握这一软件的使用对于使用51 系列单片机的爱好者来说是十分必要的，使用C 语言编程，那么Keil 几乎就是不二之选，即使不使用C 语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会事半功倍。2.3 MP3模块的选择2.3.1 VS1003的功能特性能解码 MPEG 1 和MPEG2 音频层 III（CBR+VBR+ABR）；WMA 4.0/4.1/7/8/9 5-384kbps 所有流文件；WAV(PCM+IMAAD-PCM);产生MIDI/SP-MIDI 文件。对话筒输入或线路输入的音频信号进行IMAADPCM编码支持 MP3 和WAV 流高低音控制单时钟操作12.13MHz内部PLL锁相环时钟倍频器低功耗内含高性能片上立体声数模转换器，两声道间无相位差内含能驱动30 欧负载的耳机驱动器模拟，数字，I/O 单独供电为用户代码和数据准备的5.5KB片上RAM串行的控制，数据接口可被用作微处理器的从机特殊应用的SPI Flash引导供调试用途的UART接口新功能可以通过软件和4 GPIO 添加VS1003概述：VS1003 是一个单片MP3/WMA/MIDI音频解码器和ADPCM编码器。它包含一个高性能，自主产权的低功耗DSP 处理器核VS_DSP4,工作数据存储器，为用户应用提供5KB 的指令RAM 和0.5KB 的数据RAM。串行的控制和数据接口，4 个常规用途的I/O 口，一个UART，也有一个高品质可变采样率的ADC和立体声DAC，还有一个耳机放大器和地线缓冲器。VS1003 通过一个串行接口来接收输入的比特流，它可以作为一个系统的从机。输入的比特流被解码，然后通过一个数字音量控制器到达一个18 位过采样多位- DAC。通过串行总线控制解码器。除了基本的解码，在用户RAM 中它还可以做其他特殊应用，例如DSP 音效处理。 图3-1 VS1003结构电路图图3-2 VS1003模块实物图2.3.2 VS1003接口电路的设计1、VS1003封装的管脚分配管脚名称LQFP-48BGA-49Ball管脚类型管脚功能VCC1-处理器核电源VDD2-模拟地SI 3E7DI串行输入SO 4D5DO3串行输出SCLK 5D6DI串行总线的时钟XRESET 6B1DI低电平有效，异步复位端DREQ 7E2DO数据请求，输入总线XCS 8G6DI片选输入，低电平有效XDCS/BSYNC1 9E3DI数据片选端/字节同步VDD10-处理器核与I/O 地XDCS XCS 低电平有效片选输入，高电平强制使串行接口进入standby模式，结束当前操作。高电平也强制使串行输出SO 变成高阻态。如果SM_SDISHARE 为1，不使用XDCS，但是此信号在XCS中产生。SCK 串行时钟输入。串行时钟也使用内部的寄存器接口主时钟。SCK 可以被门控或是连续的。对任一情况，在XCS变为低电平后，SCK 上的第一个上升沿标志着第一位数据被写入。 SI 串行输入，如果片选有效，SI就在SCK 的上升沿处采样。 SO 串行输出，在读操作时，数据在SCK 的下降沿处从此脚移出，在写操作时为高阻态。2、VS1003与单片机的接口电路2.4步进电机驱动芯片的选择2.4.1 L298的功能特性L298N是专用驱动集成电路，属于H桥集成电路，具有输出电流大负载能力强等特点，其输出电流为2A，最高电流4A，最高工作电压50V，可以驱动感性负载，如大功率直流电机，步进电机，减速电机，伺服电机，电磁阀等。当驱动直流电机时，可以直接控制两路电机，并可以实现电机正转与反转，实现此功能只需改变输入端的逻辑电平。通过使能端运用PWM波可以实现速度调整。 L298N驱动步进电机模块实物图4通道控制光耦完全隔离光耦使能端隔离整流二极管电机保护过流保护控制端发光二极管指示配合金散热片数/模电路线路分离驱动线路布线宽度大于1mm无短路块设计电流反馈组建双闭环电机控制系统12V步进电机 直流电机驱动采用了光电隔离可实现电机正反转及调速启动性能好，启动转矩大。可同时驱动两台直流电机1、L298N结构引脚图 2.4.2 L298接口电路的设计用L298实现四线两相步进电机控制。将IN1，IN2和IN3，IN4两对引脚分别接入单片机的某个端口，输出连续的脉冲信号。信号的快慢决定了电机的转速。改变绕组脉冲信号的顺序即可实现正反转。 L298N驱动步进电机电路如下所示：2.5 时钟芯片的选择2.5.1 DS1302的功能特性DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加31字节静态RAM，采用SPI三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小与31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。工作电压宽达2.55.5V。采用双电源供电（主电源和备用电源），可设置备用电源充电方式，提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。 DS1302用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上，能实现数据与出现该数据的时间同时记录，因此广泛应用于测量系统中。 DS1302内部结构图2.5.2 DS1302接口电路设计各引脚的功能为： 实时时钟具有能计算2100 年之前的秒分时日日期星期月年的能力还有闰年调整的能力; 31 8 位暂存数据存储RAM; 串行I/O 口方式使得管脚数量最少; 宽范围工作电压2.0 5.5V; 工作电流2.0V 时,小于300nA; 读/写时钟或RAM 数据时有两种传送方式单字节传送和多字节传送字符组 方式; 8 脚DIP 封装或可选的8 脚SOIC 封装根据表面装配; 简单3 线接口; 与TTL 兼容Vcc=5V; 可选工业级温度范围-40 +85; 与DS1202 兼容; 在DS1202 基础上增加的特性; 对Vcc1 有可选的涓流充电能力; 双电源管用于主电源和备份电源供应;备份电源管脚可由电池或大容量电容输入; DS1302连接电路如下所示： 2.6光电传感器的选择2.6.1 GK102的功能特性GK102是单光束红外光电传感器，由进口高发射功率的砷化镓红外发光管和高灵敏度的光敏晶体管组成。其具有寿命长，高可靠性，响应速度快，带两只固定孔等特点，多应用于电机测速，限位开关等设计中。2.6.2 GK102的电路设计 第三章 PCB制板结构设计3.1 PCB设计平台本设计是采用Protel DXP2004作为原理图和PCB的绘制工具。 Protel DXP 2004是Altium公司于2004年推出的最新版本的电路设计软件，该软件能实现从概念设计，顶层设计直到输出生产数据以及这之间的所有分析验证和设计数据的管理。Protel DXP在前版本的基础上增加了许多新的功能。新的可定制设计环境功能包括双显示器支持，可固定、浮动以及弹出面板，强大的过滤和对象定位功能及增强的用户界面等。Protel DXP是第一个将所有设计工具集于一身的板级设计系统，电子设计者从最初的项目模块规划到最终形成生产数据都可以按照自己的设计方式实现。Protel DXP运行在优化的设计浏览器平台上，并且具备当今所有先进的设计特点，能够处理各种复杂的PCB设计过程。通过设计输入仿真、PCB绘制编辑、拓扑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术融合，Protel DXP提供了全面的设计解决方案。3.2 元件布局及PCB整体结构工艺首要考虑元件布局的紧凑性。对元件布局进行优化，能有效的降低布线难度和生产的工艺要求。布局要能使各元件紧密契合，还要注意各PCB之间的衔接，以便于用户扩展显示单元。本设计由核心板和外接飞线板两块PCB板组成，提高了设计的灵活性和可扩展性。从布线难度、铜膜载流容量、PCB热弯曲效应和机械强度等方面考虑。本设计采用玻璃纤维1.5mm厚双面PCB板。生产的时候选择高温阻焊、焊盘喷锡、双面丝印工艺。这种工艺生产出来的PCB坚固美观，易于焊接和维修。3.3 PCB设计基本原则 PCB设计的好坏直接影响电路板抗干扰能力的大小，在进行PCB设计时，一定要遵循PCB设计的一般规则，已达到抗干扰设计的要求。其中，元器件的布局.布线.焊盘的大小.去耦电容的配置及元器件之间的连线等设计都会影响电路板的抗干扰能力，因此在设计时遵守以下规则： 应先确定PCB尺寸后，在确定一些特殊元件的位置。最后在综合考虑整个电路的功能单元，对元器件进行合理布局。布线时导线转弯处选取圆弧形，电源线和地线选用较宽的导线。焊盘的中心孔比元器件引脚直径略大一些。在印制电路板中避免交叉点路，电源线的设计尽量与地线的走向和数据传递的方向一致，印制电路板的大小尽量加粗电源线的宽度，从而减少环路电阻，同时提高抗噪声能力。具体的生产工艺要求需与PCB生产厂家咨询获知。目前双面PCB的标准工艺为：线宽7mil，线距7mil，过孔0.4mm，阻焊、丝印、喷锡、浸银。按照工厂工艺要求设计条屏PCB如图3.1和3.2，图3.3和3.4图3.1 主板 PCB预览第四章 软件设计与实现4.1总体设计思路以总控机为控制核心，通过接收光电传感器所检测到的指令序列，发送命令控制MP3播放器播放与步进电机正转实现国旗上升的操作。当需要降旗和降半旗时，由数字键盘控制总控机发出降旗和降半旗指令实现该操作。同时在整个操作过程中时钟处于显示相关信息状态。具体结构流程图如下所示： 4.2 编程流程4.2.1 MP3程序设计流程 4.2.2 MP3 c语言代码如下：/-/ 函数名称: MP3_Init()/ 函数功能: 初始化MP3模块/-void MP3_Init()Mp3PutInReset(); /VS10XX进入复位状态IEN0 = 0; /禁能所IEN1 = 0; /禁能所有中断VS10XX_Init(); /VS10XX模块初始化Init_Lcd();/初始化LCD why the LCD must be initialized after /VS10XX?LcdPrintGenericResult(InitFileSystem(); /文件系统初始化 Delay(1500);Disp_String(0, 0, ); Disp_String(0, 1, );playingState = PS_NEXT_SONG; /状态=播放下一首曲子currentFile = 1; /当前文件=1号文件/-/ 函数名称: player ()/ 函数功能: 实现mp3按指令播放、选择上一曲和下一曲、调节音量等功能/入口参数: 无 /-void player() uint i=0;if(Player_Enable)|(test!=0x00) if(OpenFile(currentFile) /如果打开当前文件失败 currentFile = 1; /重置1号文件为当前文件 if(OpenFile(currentFile) /如果打开1号(当前)文件失败 Disp_String(0,1,No files.); /提示出错 while(1); /死循环 Disp_String(0, 0, File: ); /显示: File:文件号LcdPutUInt(6, 0, currentFile);for(i=0; i8; i+) /显示文件名偷8个字符 Disp_Char(i, 1, diskSect.dirtemp.c.entry.Namei);/vvv-有键按下一直等待while(KEY_BUTTON) | (KEY_FARLEFT) | (KEY_FARRIGHT) | (KEY_LEFT) | (KEY_RIGHT);/vvv-无键按下且播放状态正常while(!KEY_BUTTON) & (!KEY_FARLEFT) & (!KEY_FARRIGHT) & (playingState = PS_NORMAL);/vvv-检查是否按键请求前一首曲子/后一首曲子if(KEY_FARLEFT) currentFile- if(KEY_FARRIGHT) currentFile+; if(currentFile = 0) currentFile = 1;if(KEY_BUTTON) | (playingState = PS_NEXT_SONG) | (playingState = PS_PREVIOUS_SONG) while(KEY_BUTTON); PlayCurrentFile(); if(playingState = PS_PREVIOUS_SONG) currentFile-; if(playingState = PS_NEXT_SONG) currentFile+; if(currentFile = 0) currentFile = 1; if(playingState = PS_END_OF_SONG) playingState = PS_NORMAL; VS10XX_SoftReset(); /曲与曲之间软复位,防止出现卡卡声4.3 L298N驱动与应用程序开发4.3.1 编程流程图如下：4.4 DS1302时间管理芯片驱动与应用程序开发C代码如下所示:/-/ 函数名称：DS1302_Init()/ 函数功能：初始化实时钟/-void DS1302_Init(void DS1302_Byte_Write(0x8e, 0); /禁能DS1302写保护 DS1302_Byte_Write(0x90, 0xa5); /打开充电二极管 DS1302_Byte_Write(0x8e, 0x80); /使能DS1302写保护 DS1302_Get_Date_Time(); if(Second 60) & (Minute 60) & (Hour 24) & (Day 32) & (Month 13) & (Week 8) & (Year 5),tstr, RP_Pos); else KS108_Disp_Str(Date_Disp_RL.xy&0x1f), (Date_Disp_RL.xy5), tstr); Else if(!(Date_Disp_RL.enb_cls&0x40) Date_Disp_RL.enb_cls |= 0x40; KS108_Disp_Str(Date_Disp_RL.xy&0x1f), (Date_Disp_RL.xy5),(uchar*) ); 小 结由于对电子信息这个行业的热爱，我多次和老师讨论最终选择了国旗自动升降控制系统这个题目，在完成这个题目的过程中，我经历了大学生活中最有意义的时光，天天晚睡早起，并在老师的严格监督下最终完成这项设计的论文和硬件制作。开始时我满怀信心的投入对这个题目的策划当中，一直感觉自己做好这项工作没什么大问题，就在刚刚开始进行硬件设计的时候,发现自己当初的想法是多么的愚昧，自己的能力是多么的有限。在课题进行的过程中，我认真详细阅读了STC89